探索LTM4693：超薄低输入电压2A降压 - 升压μModule稳压器

在电子设计领域，电源管理模块的性能和特性对整个系统的稳定性和效率起着至关重要的作用。今天，我们就来深入了解一款出色的电源管理模块——LTM4693。

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一、产品概述

LTM4693是一款超薄、高效的2A降压 - 升压μModule DC/DC转换器，它能在输入电压高于、低于或等于输出电压的情况下工作。该模块内部集成了开关控制器、功率MOSFET、电感器和支持组件，采用先进的拓扑结构，可在所有工作模式下实现连续转换。其输入电压范围为2.6V至5.5V，能够覆盖包括典型的3.3V和5V在内的多种电源；输出电压范围为1.8V至5.5V，可通过外部电阻进行设置。

二、产品特性

（一）宽输入输出电压范围

• 输入电压：2.6V至5.5V的宽输入电压范围，使得LTM4693能够适应多种不同的电源，为设计提供了更大的灵活性。
• 输出电压：输出电压可在1.8V至5.5V之间调节，满足了不同负载对电压的需求。

（二）强大的输出电流能力

• 在 (V{IN } ≥V{OUT }) 的降压和降压 - 升压模式下，能够提供2A的连续输出电流；在 (V{IN }{OUT }) 的升压模式下，最小连续输出电流为1A。

（三）低纹波架构与高效性能

• 采用低纹波降压 - 升压架构，确保输出电压的稳定性。
• 具有可编程软启动和 (V_{IN}) 欠压锁定（UVLO）功能，提高了系统的可靠性。
• 支持突发模式（Burst Mode），在轻负载时静态电流仅为15μA，实现了高效的电源转换。

（四）小巧轻薄的封装

• 采用3.5mm × 4mm × 1.25mm的超薄LGA封装，节省了电路板空间，适合对尺寸要求较高的应用。

三、应用领域

LTM4693的出色性能使其在多个领域都有广泛的应用：

• 电信与数据通信：适用于光模块等设备，为其提供稳定的电源。
• 医疗与工业仪器：满足这些对电源稳定性要求极高的设备的需求。
• 无线射频发射器：确保发射器的稳定工作。
• 电池供电系统：其高效的电源转换能力有助于延长电池续航时间。

四、工作原理

（一）拓扑结构

LTM4693采用降压 - 升压拓扑结构，允许其输出电压高于或低于输入电压。在降压和降压 - 升压区域，转换器可提供2A的输出电流；在升压区域，至少可提供1A的输出电流。内部的低导通电阻（RDS(ON)）、低栅极电荷同步开关和低直流电阻（DCR）电感器，使得该模块在微小的3.5mm × 4mm × 1.25mm尺寸下实现了高效的功率转换。

（二）控制模式

• 平均电流模式控制：LTM4693的脉冲宽度调制器采用平均电流模式控制。与其他控制方法相比，这种控制方式具有简化环路补偿、对负载瞬变响应迅速以及固有线路电压抑制等优点。
• 频率设置：开关频率可通过在FREQ引脚与地之间连接适当的电阻来设置，默认频率为1MHz，可编程范围为1MHz至4MHz。此外，还可将MODE/SYNC引脚连接到外部时钟，实现与外部时钟的同步。

（三）工作模式

• 突发模式（Burst Mode）：通过MODE/SYNC输入引脚可选择突发模式。在轻负载时，LTM4693进入突发模式，仅在必要时工作以维持电压调节，典型的静态电流仅为15μA，大大提高了轻负载时的效率。当负载增加时，自动切换到固定频率PWM模式。
• 强制连续模式（FCM）：当MODE/SYNC引脚为高电平或负载电流足够高时，LTM4693进入强制连续模式，以固定频率工作，可最小化输出电压纹波，实现低噪声的开关频率频谱。

五、关键参数设置

（一）输入欠压锁定（ (V_{IN}) UVLO）阈值

当RUN/UVLO引脚连接到 (V{IN}) 时， (V{IN}) 的开启阈值典型值为1.7V，关闭阈值为1.6V。可通过电阻网络调整 (V{IN}) UVLO的阈值，计算公式为： [V{TURN(ON)}=1.2 V cdot(1+R 1 / R 2)] [V_{TURN(OFF)}=1.1 V cdot(1+R 1 / R 2)]

（二）输出电压编程

PWM控制器内部有1V的参考电压，通过在FB引脚与地之间连接电阻 (R{FB}) 可设置输出电压，计算公式为： [V{OUT }=1.0 V cdot frac{60.4 k+R{FB}}{R{FB}}]

（三）开关频率设置

默认开关频率为1MHz，可通过在FREQ引脚与地之间连接电阻 (R{T}) 来调整频率，计算公式为： [R{T}(k Omega)=frac{110}{f_{SW}(MHz)-1}] 可编程频率范围为1MHz至4MHz。

（四）软启动设置

可通过将SS引脚连接到 (V{IN}) 选择约2ms的内部软启动间隔。若需要更长的软启动时间，可在SS引脚连接外部电容 (C{SS}) ，软启动时间计算公式为： [t{SS}(ms)=0.8 cdot C{SS}(nF)]

六、电容选择

（一）输出电容

为了最小化输出电压纹波，应在降压 - 升压转换器的输出端连接低等效串联电阻（ESR）的输出电容。多层陶瓷电容是不错的选择，其ESR低且尺寸小。在大多数LTM4693应用中，68µF至220µF的输出电容通常能满足要求。此外，可在 (V_{OUT}) 与地之间放置一个4.7µF的陶瓷电容，以减少对控制电路的开关噪声。

（二）输入去耦电容

(V{IN}) 引脚承载着全部电感电流，为内部开关和驱动器以及控制电路供电。为了最小化输入电压纹波并确保IC的正常运行，应在 (V{IN}) 附近放置一个至少22µF的低ESR旁路电容，并使连接该电容到 (V{IN}) 和接地平面（GND）的走线尽可能短。同样，可在 (V{IN}) 与地之间放置一个4.7µF的陶瓷电容，以减少开关噪声。

七、热考虑与输出电流降额

（一）热阻参数

数据手册中给出的热阻参数（如 (theta{JA}) 、 (theta{JCbottom}) 、 (theta_{JCtop}) ）是按照JESD51 - 12标准定义的，用于有限元分析（FEA）软件建模。但在实际应用中，这些参数并不能完全反映正常工作条件下的热性能。

（二）降额曲线

数据手册中提供的降额曲线可用于指导在不同电气和环境条件下的应用。通过结合功率损耗曲线和负载电流降额曲线，可以计算出不同散热和气流条件下的近似 (theta_{JA}) 热阻。

八、布局考虑

（一）布局原则

• 使用大面积的PCB铜箔作为高电流路径，包括 (V{IN}) 、GND和 (V{OUT}) ，以减少PCB传导损耗和热应力。
• 在 (V{IN}) 、GND和 (V{OUT}) 引脚附近放置高频陶瓷输入和输出电容，以减少高频噪声。
• 在模块下方设置专用的电源接地层。
• 使用多个过孔实现顶层与其他电源层之间的互连，以减少过孔传导损耗并降低模块热应力。
• 避免在焊盘上直接放置过孔，除非过孔被覆盖或镀覆。
• 在信号引脚上引出测试点，以便进行监测。

（二）布局示例

数据手册中给出了推荐的PCB布局示例，为实际设计提供了参考。

九、安全考虑

LTM4693模块不提供 (V{IN}) 到 (V{OUT}) 的电气隔离，且内部没有保险丝。如果需要，应提供额定电流为最大输入电流两倍的慢熔保险丝，以保护设备免受灾难性故障的影响。该设备支持热关断和短路保护功能。

LTM4693以其出色的性能、小巧的封装和灵活的参数设置，为电子工程师在电源管理设计中提供了一个优秀的选择。在实际应用中，我们需要根据具体的需求和条件，合理设置参数、选择电容和进行布局，以充分发挥其优势。你在使用LTM4693或其他类似电源管理模块时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。